CAMPO DA INVENÇÃO
[0001] A presente invenção está relacionada a tecnologias de separação primária de petróleo. Mais particularmente, a presente invenção está relacionada a vasos separadores de primeiro estágio para separação primária de petróleo.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
[0002] A presente invenção está relacionada a separadores gravitacionais utilizados para separação trifásica (óleo-água-gás- sólidos) primária tanto em ambiente offshore (topside e subsea) quanto onshore. Esta separação é necessária tanto para a obtenção dos produtos de interesse comercial, como óleo e gás, quanto para o tratamento dos subprodutos indesejados, como água e sedimentos sólidos.
[0003] Um método de separação largamente conhecido do estado da técnica é a chamada flotação clássica que se utiliza da adição de floculantes que agem na superfície de pequenas gotículas de óleo unindo-as e aumentado o tamanho dos flocos. Esses flocos, sob a ação de microbolhas de gás, que também ficam aglomeradas ao floco, tendem a flotar e se separar mais facilmente do seio aquoso.
[0004] Normalmente o processo descrito é realizado como última etapa no tratamento da água produzida. No entanto seria muito interessante antecipar este tratamento, diminuindo o diâmetro de corte dos separadores gravitacionais e, consequentemente, aumentando sua eficiência.
[0005] Em adição à água e óleo já descritos, a produção de petróleo também compreende a presença de partículas sólidas (areia, produtos de corrosão de linhas, borras, dentre outros) que tendem a se acumular no fundo dos vasos separadores de primeiro estágio.
[0006] Durante o processamento do petróleo produzido,o acúmulo de partículas sólidas gera problemas relacionados à perda de tempo de residência do fluido, entupimento de bocais de saída do vaso, arraste das partículas sólidas para outros equipamentos da planta de processo, erosão em equipamentos, travamento de válvulas, dentre outros.
[0007] Conforme conhecido do estado da técnica, a remoção dos sólidos de vasos separadores pode ser feita de duas formas: (i) em operação, pela da injeção de água a alta pressão no fundo do vaso (através de bicos injetores), em que a água é responsável por carrear estes sólidos que são removidos pelos bocais de drenagem do separador; ou (ii) em paradas, programadas ou não, quando da abertura deste vaso para limpeza.
[0008] A segunda forma de limpeza requer a parada de produção, despressurização do separador, drenagem do mesmo, procedimentos de inertização, e abertura do vaso e limpeza manual. Esta operação, além de morosa, apresenta sérios riscos aos técnicos envolvidos no processo.
[0009] Assim, seria muito vantajoso se um separador gravitacional de fluxo primário propiciasse a separação de óleo e gás da água, além de prover a limpeza do tanque do separador através da retirada de partículas sólidas.
[0010] O documento BR198504487A revela um separador de fluxo induzido com ejetor de fluxo ascendente, provido de um tanque separador principal recebendo um fluxo de fluido contínuo dividido em uma pluralidade de câmaras de aeração com cada câmara de aeração compreendendo meios ejetores onde gás é ejetado em uma corrente de fluido.
[0011] De acordo com o documento, o gás injetado se adere ao óleo e a sujeira presentes na corrente de fluido e são coletados em uma camada de espumação. Assim, é provida a limpeza da água.
[0012] O documento US8323489B2 revela um tanque para tratamento de água destinado para remover fluidos imiscíveis (óleo) de água contaminada, a fim de produzir água limpa, compreendendo uma câmara, uma linha de injeção, uma unidade de geração de bolhas, reservatório de fluido imiscível, e uma saída de água limpa.
[0013] Em uma configuração descrita, o tanque é dividido em câmaras conectadas através de dutos de conexão, em que esses dutos compreendem meios de injeção de bolhas (gás).
[0014] O documento WO2013043361A1 é direcionado a um recipiente de separação por gás induzido, usado para remover o óleo arrastado de uma corrente de água produzida, que compreende uma entrada de água produzida, uma saída de óleo, uma saída de água tratada e um conjunto de eductores de gás.
[0015] De acordo com o WO2013043361A1, a principal vantagem do dispositivo descrito consiste na utilização de eductores de gás posicionados na porção mais baixa do recipiente, de modo que as bolhas de gás se anexam às partículas de óleo dispersas na água, fazendo com que o óleo flutue, facilitando sua remoção da água.
[0016] O documento WO2005107918A1 é direcionado a um separador de fluidos multifásicos, que compreendem fases de óleo, água e gás, compreendendo um coletor para coletar a fase líquida, uma saída para extrair a fase gasosa, e um circuito de drenagem para drenar a fase líquida do separador.
[0017] O separador descrito compreende ainda uma montagem de flutuação adaptada para flutuar na interface gás/líquido de modo que o coletor é posicionado na região da emulsão gás/líquido. Nessa região, o líquido presente é rico em óleo, portanto o coletor coleta óleo dessa região, de modo que água é coletada na região mais baixa do dispositivo e gás da região mais alta.
[0018] Nota-se que este documento não faz qualquer referência ao uso de dispersores para reinserir parte do gás coletado no dispositivo para auxiliar o tratamento do fluxo inserido, nem mesmo ao uso de parte da água coletada para realizar a limpeza do dispositivo.
[0019] O documento WO2004112936A1 é direcionado a um sistema para separar o óleo e/ou os sólidos revestidos com óleo de uma mistura de água oleosa. O sistema inclui um recipiente vertical que tem uma entrada para introduzir um fluido a ser tratado. O recipiente também tem uma saída de água em uma porção inferior e uma saída de óleo em uma porção intermediária.
[0020] O documento ainda descreve que um eductor é posicionado em uma porção inferior do recipiente de tratamento e é disposto para disseminar pequenas bolhas de gás radialmente em um padrão horizontal e uniforme sobre toda a área da secção transversal do recipiente. Essas bolhas flutuam para cima contra o fluxo descendente de água oleosa dentro do recipiente e ligam-se a gotículas de óleo e/ou sólidos revestidos com óleo aumentando a sua flutuabilidade e aumentando assim a separação oleosa de contaminantes de água.
[0021] Ainda é descrito que a água e o gás utilizados pelo eductor são reciclados do próprio dispositivo de tratamento, ou seja, são retirados pelos dutos de coleta e reinseridos pelo indutor para otimizar o processo de tratamento do fluido em questão.
[0022] Portanto, nota-se que o estado da técnica carece de um sistema de tratamento/separação de fluxo de petróleo primário que também proveja a limpeza do tanque do sistema de tratamento, assegurando um processo de tratamento de fluido intermitente, sem a necessidade de parar o processo de produção para realizar a limpeza do tanque.
[0023] Como será mais bem detalhado a seguir, a presente invenção visa a solução dos problemas do estado da técnica acima descrito de forma prática e eficiente.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[0024] O objetivo da presente invenção é o de prover um sistema de separação primária de petróleo que possibilite fazer limpeza periódica do vaso de separação sem a necessidade da abertura do vaso, e promover a flotação das gotículas de óleo em água aumentando a eficiência de separação dos vasos separadores e reduzindo a necessidade de equipamentos de tratamento da água à jusante. De forma a alcançar o objetivo acima descrito, a presente invenção provê um separador multifásico de primeiro estágio para separação de um fluido multifásico produzido em um ou mais poços de petróleo compreendendo: um vaso de separação; meio para inserir o fluido multifásico no vaso de separação; uma câmara de óleo posicionada em uma posição oposta ao meio para inserir o fluido multifásico no vaso de separação; meio para coletar um volume de gás separado do fluido multifásico em uma parte superior do vaso de separação; meio para coletar um volume de óleo separado do fluido multifásico na câmara de óleo; e meio para coletar um volume de água separado do fluido multifásico em uma parte inferior do vaso de separação; em que o separado compreende ainda um meio para injetar uma mistura de gás e água pressurizados em uma porção inferior do vaso separador.
[0025] A invenção ainda provê um método de separação de um fluido multifásico produzido em um poço de petróleo compreendendo as etapas de: inserir o fluido multifásico em um vaso de separação; coletar um volume de gás separado do fluido multifásico em uma parte superior do vaso de separação; coletar um volume de óleo separado do fluido multifásico em uma parte intermediária do vaso de separação; coletar um volume de água separado do fluido multifásico em uma parte inferior do vaso de separação; e injetar uma mistura de gás coletado e água coletada pressurizados em uma porção inferior do vaso separador.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[0026] A descrição detalhada apresentada adiante faz referência às figuras anexas e seus respectivos números de referência.
[0027] A figura 1 ilustra esquematicamente um separador multifásico de primeiro estágio de acordo com uma configuração opcional da presente invenção.
[0028] A figura 2 ilustra uma configuração opcional do meio para injetar água pressurizada em uma direção angulada para baixo da porção inferior do vaso de separação.
[0029] A figura 3 ilustra uma configuração opcional de um meio para injeção de uma mistura de gás e água pressurizados de acordo com uma configuração opcional da presente invenção.
[0030] DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[0031] Preliminarmente, ressalta-se que a descrição que se segue partirá de uma concretização preferencial da invenção. Como ficará evidente para qualquer técnico no assunto, no entanto, a invenção não está limitada a essa concretização particular.
[0032] A figura 1 ilustra esquematicamente um separador multifásico de primeiro estágio de acordo com uma configuração opcional da presente invenção. Tal separador é destinado à separação de um fluido multifásico produzido em um ou mais poços de petróleo.
[0033] Como largamente conhecido, os fluidos produzidos em poços de petróleo compreendem pelo menos três fases de fluidos imiscíveis, sendo uma fase gasosa, uma fase aquosa e uma fase de óleo, em que, normalmente, uma série de partículas sólidas estão misturadas a esse fluxo.
[0034] Como detalhado em seções anteriores deste relatório, para agilizar o tratamento do fluido produzido, é necessário que as três fases (gás, óleo e água) sejam separadas, e as partículas sólidas removidas.
[0035] Para que isso seja atingido, o separador multifásico de primeiro estágio da invenção é provido basicamente de: um vaso de separação 3; um meio para inserir o fluido multifásico 2 em um vaso de separação 3; uma câmara de óleo 31 posicionada em uma posição oposta ao meio para inserir o fluido multifásico 2 no vaso de separação 3; um meio para coletar um volume de gás 1 separado do fluido multifásico em uma parte superior do vaso de separação 3; um meio para coletar um volume de óleo 4 separado do fluido multifásico na câmara de óleo 31; e um meio para coletar um volume de água 5 separado do fluido multifásico em uma parte inferior do vaso de separação 3.
[0036] De forma a otimizar a separação das três fases fluídicas, o separador multifásico compreende ainda um meio para injetar uma mistura de gás e água 7 pressurizados em uma porção inferior do vaso separador 3.
[0037] Para a operação do sistema, os fluidos multifásicos produzidos nos poços de petróleo são inicialmente reunidos em um coletor de produção (não ilustrado). Esses fluidos, após aquecimento, são inseridos no vaso de separação 3 através do meio para inserir o fluido multifásico 2 em um vaso de separação. Opcionalmente, o meio para inserir o fluido multifásico em um vaso de separação é uma linha de entrada de fluidos multifásicos.
[0038] Uma vez que os fluidos são inseridos no vaso de separação 3, são separadas as fases de forma inicial. A fase gasosa tenderá a se estratificar na parte superior do vaso 3. A fase de óleo, por ter massa específica menor que a da água produzida, se concentrará na faixa média do vaso 3. A fase aquosa, por sua vez, se acumula na parte inferior do vaso 3.
[0039] Opcionalmente, o meio para coletar um volume de gás 1 separado do fluido multifásico em uma parte superior do vaso de separação 3 compreende uma linha de saída de gás 11 e uma linha de realimentação de gás 10 conectada com o meio para injetar uma mistura de gás e água 7 pressurizados em uma porção inferior do vaso separador.
[0040] Assim, a linha de saída de gás 11 pode compreender uma válvula de controle 13 adaptada para controlar a pressão interna do vaso separador 3. O fluxo de gás extraído pela linha de saída de gás é direcionado para posterior tratamento, conforme qualquer método conhecido do estado da técnica.
[0041] Por outro lado, a linha de realimentação de gás 10 é responsável por direcionar o gás recuperado no vaso separador 3 para que este seja reinserido no vaso separador 3 através do meio para injetar uma mistura de gás e água pressurizados 7. A linha de realimentação de gás 10 também pode compreender uma válvula 12 de controle de fluxo de gás reinserido para controlar o volume de gás a ser reinserido no vaso separador 3.
[0042] Conforme já descrito, o óleo produzido se concentrará na faixa média do vaso separador 3 e é vertido à câmara de óleo 31. Nesta câmara 31 o meio para coletar um volume de óleo 4 separado do fluido multifásico é responsável por retirar o óleo do vaso separador 3 e direciona-lo para tratamentos posteriores. A câmara de óleo 31 é posicionada em uma posição oposta à entrada do fluxo multifásico 2 e é definida por uma barreira física 30 (parede) desde uma posição mais inferior do vaso separador até uma posição intermediária do vaso. Entende-se que um técnico no assunto poderá definir em detalhes as configurações desta barreira 30, de modo que este não representa um limitante à invenção descrita.
[0043] Opcionalmente, o meio para coletar um volume de água 5 separado do fluido multifásico em uma parte inferior do vaso de separação 3 compreende uma linha de saída de água 50 e uma linha de realimentação 51 de água para o meio para injetar uma mistura de gás e água 7 pressurizados em uma porção inferior do vaso separador 3.
[0044] Nesta configuração, a linha de saída de água 50 direciona a água para tratamento posterior. Por sua vez, a linha de realimentação de água 51 é responsável por direcionar água recuperada no vaso separador 3 para que esta seja reinserida no vaso separador 3 através do meio para injetar uma mistura de gás e água 7 pressurizados. A linha de realimentação de água 51 também pode compreender uma válvula de controle de fluxo de água reinserida 52 para controlar o volume de água a ser reinserida no vaso separador 3.
[0045] Opcionalmente, o separador multifásico também compreende um meio para injetar água pressurizada em uma direção angulada para baixo 8 da porção inferior do vaso de separação, e um meio pra coletar material sólido depositado na parte inferior do vaso separador 3. Assim, o separador multifásico descrito também exercerá a função de limpeza de detritos sólidos do vaso de separação 3.
[0046] Ressalta-se que o meio pra coletar material sólido depositado na parte inferior do vaso 3 pode ser uma abertura na porção mais inferior do vaso de separação 3, em que essa abertura pode ser aberta e/ou fechada em momentos predeterminados de acordo com cada aplicação.
[0047] A água utilizada pelo meio para injetar água pressurizada em uma direção angulada para baixo 8 da porção inferior do vaso de separação 3 pode ser de uma fonte externa, ou então água coletada pelo meio para coletar um volume de água 5 separado do fluido multifásico. A segunda opção é preferencialmente adotada de modo a reduzir o consumo de água e reduzir o número de equipamentos e tanques utilizados.
[0048] Assim, por o sistema compreender tanto o (i) meio para injetar uma mistura de gás e água 7 pressurizados em uma porção inferior do vaso separador, quanto o (ii) meio para injetar água pressurizada em uma direção angulada para baixo 8 da porção inferior do vaso de separação 3, o sistema é capaz de atuar tanto aumentando a eficiência na separação das fases do fluido inserido no vaso de separação, quanto provendo a limpeza do vaso de separação, eliminando partículas sólidas desse vaso de separação, sem a necessidade de interrupção da produção.
[0049] A seguir será apresentado em maiores detalhes o funcionamento do dispositivo descrito nos parágrafos anteriores. Em adição, configurações específicas e elementos adicionais serão descritos.
[0050] Preferencialmente, o separador multifásico da invenção é programado para operar como flotador (auxiliando a separação do fluido multifásico) ou como em modo limpeza (removendo detritos sólidos do vaso separador). Em ambos os casos, o separador multifásico irá compreender um bomba indutora 6 (ou DGF) para imprimir pressão na mistura água/gás ou na água.
[0051] Assim, a linha de realimentação de gás 10 e a linha de realimentação de água 51 recuperados alimentam a bomba indutora 6. Da mesma forma, a bomba indutora 6 é responsável por alimentar tanto o meio para injetar uma mistura de água e gás pressurizados 7, quanto o meio para injetar água pressurizada 8 no vaso de separação 3.
[0052] Deste modo, válvulas de controle de fluxo 12,52 são adotadas nas linhas que comunicam a bomba indutora 6 ao meio para injetar uma mistura de água e gás 7 pressurizados, e ao meio para injetar água pressurizada 8 no vaso de separação 3. Assim, essas válvulas 12,52 são responsáveis por controlar (permitir ou bloquear) o fluxo direcionado a esses elementos.
[0053] Quando o separador multifásico estiver atuando como flotador, a bomba indutora 6 recebe água enviada pela linha de realimentação de água 51 em conjunto com gás oriundo da linha de realimentação de gás 10, cuja vazão é controlada pela válvula de controle de alimentação de gás 12. Esta bomba eleva o nível de pressão dos fluidos e encaminha para o meio de injeção de uma mistura de água e gás 7.
[0054] Nesta configuração, tanto a válvula de controle de fluxo da linha de realimentação de gás 12 quanto a válvula de controle de fluxo da linha de realimentação de água 52 operam em estado aberto.
[0055] Opcionalmente, o meio de injeção de uma mistura de água e gás 7 compreende espargidores ou bicos injetores.
[0056] Claramente, nesta configuração, a válvula de controle de fluxo 70 conectada aos espargidores permanece em sua posição aberta, permitindo a alimentação destes elementos. Preferencialmente, esta válvula 70 funcionará no modo NA (normalmente aberta) para que a flotação ocorra de forma contínua, devendo ser bloqueada apenas nos momentos em que o vaso não esteja operando, ou quando a linha e válvula de bloqueio do sistema de limpeza 8 (descrito em maior detalhe mais adiante) estiver em operação.
[0057] A água contendo gás (em solução ou induzido) será então encaminhada para o sistema de flotação com espargidores ou bicos injetores. Este sistema poderá ter comprimento máximo longitudinal correspondente ao comprimento do vaso 3, excetuando- se o comprimento da câmara de óleo 31. Este comprimento deverá levar em conta a possibilidade de remisturas na zona de separação de água, podendo ser encurtado caso se julgue necessário. Ressalta-se que o comprimento deste elemento pode ser variável, de modo que esta característica não representa um limitante à invenção proposta.
[0058] A figura 3 ilustra uma configuração opcional de um meio para injeção de uma mistura de gás e água 7 pressurizados de acordo com uma configuração opcional da presente invenção. Observa-se que nesta configuração, este elemento compreende pelo menos uma linha 82 compreendendo espargidores. Preferencialmente, uma pluralidade de linhas 82 compreendendo espargidores é adotada.
[0059] Ressalta-se que o número de linhas 82 contendo espargidores ou bicos injetores deve ser determinado para cada caso de aplicação, tendo como parâmetro de base o diâmetro do vaso separador 3. A quantidade e o diâmetro dos furos dos espargidores 81, bem como sua forma, podem variar em cada aplicação, de modo que essas características não representam um limite no escopo da invenção.
[0060] Quando o dispositivo estiver operando no modo de limpeza do vaso, apenas água é fornecida para o meio para injetar água pressurizada 8 em uma direção angulada para baixo da porção inferior do vaso de separação. Como já descrito, a água pode ser oriunda de uma fonte externa, ou pode ser água coletada pelo próprio dispositivo.
[0061] Aqui se pontua que o meio para injetar água pressurizada em uma direção angulada para baixo 8 da porção inferior do vaso de separação pode ser referido como sistema de limpeza para facilitar a descrição que se segue. Essa opção será adotada de modo a facilitar o entendimento da invenção.
[0062] Conforme ilustrado na figura 1, a configuração preferencial prevê que a água utilizada seja oriunda do próprio dispositivo, neste caso, a válvula de controle de fluxo de gás 12 estará em posição fechada, impedindo o fluxo de gás de realimentação. Por sua vez, a válvula de controle de fluxo de água 52, estará em sua posição aberta. Assim, a bomba indutora 6 irá pressurizar apenas o fluxo de água antes de fornecer água pressurizada para o sistema de limpeza 8.
[0063] Nesta posição, a válvula de controle de fluxo 70 conectada aos espargidores estará em sua posição fechada, impedindo o fluxo aos espargidores 7.
[0064] Por sua vez, a válvula de controle de fluxo 80 conectada ao sistema de limpeza 8 estará em sua posição aberta. Preferencialmente, esta válvula 80 atua em modo NF (normalmente fechada). Quando em operação de limpeza, a água a alta pressão será enviada para o sistema de limpeza 8.
[0065] A figura 2 ilustra uma configuração opcional do meio para injetar água pressurizada em uma direção angulada para baixo 7 da porção inferior do vaso de separação. Observa-se que este elemento 7 compreende pelo menos uma tubulação 72 dotada de uma pluralidade de bicos injetores de água a alta pressão angulados de forma a direcionar o fluxo varrido para o meio para coletar material sólido depositado na parte inferior do vaso separador.
[0066] Apesar de os bicos injetores angulados e o meio pra coletar material sólido depositado na parte inferior do vaso separador não ser ilustrado, entende-se que um técnico no assunto poderia definir a melhor configuração deste elemento.
[0067] Opcionalmente, o meio pra coletar material sólido depositado na parte inferior do vaso separador é uma canaleta de coleta. A canaleta de coleta pode compreender também uma pluralidade de mais bicos injetores responsáveis por empurrar a sujeira coletada para um bocal de saída, donde poderá ser instalado um sistema de coleta dotado de ciclones ou um vaso com filtros para reter partículas sólidas que irão ter destinação segura com sólidos concentrados.
[0068] Opcionalmente, o comprimento do sistema de injeção deve cobrir longitudinalmente todo o fundo do vaso separador de maneira a remover o máximo de sólidos decantados possível, sendo possível ainda a instalação de bicos no costado do vaso e na canaleta coletora.
[0069] A partir do descrito anteriormente, a invenção também provê um método de separação de um fluido multifásico produzido em um ou mais poços de petróleo compreendendo as etapas de: inserir o fluido multifásico em um vaso de separação; coletar um volume de gás separado do fluido multifásico em uma parte superior do vaso de separação; coletar um volume de óleo separado do fluido multifásico em uma parte intermediária do vaso de separação; e coletar um volume de água separado do fluido multifásico em uma parte inferior do vaso de separação.
[0070] O método ainda compreende a etapa de injetar uma mistura de gás coletado e água coletada pressurizados em uma porção inferior do vaso separador.
[0071] Opcionalmente, o método compreende injetar água pressurizada em uma direção angulada para baixo da porção inferior do vaso de separação, e coletar material sólido depositado na porção inferior do vaso separador.
[0072] Fica claro, portanto, que a invenção descrita soluciona os problemas do estado da técnica a que se propõe, ou seja, provê um sistema de separação primária de petróleo que possibilite fazer limpeza periódica do vaso de separação sem a necessidade da abertura do vaso, e promove a flotação das gotículas de óleo em água aumentando a eficiência de separação dos vasos separadores, reduzindo a necessidade de equipamentos de tratamento da água à jusante.
[0073] Inúmeras variações incidindo no escopo de proteção do presente pedido são permitidas. Dessa forma, reforça-se o fato de que a presente invenção não está limitada às configurações/concretizações particulares acima descritas.